1、石油科学通报 2023 年 6 月 第 8 卷第 3 期：303-317缝洞型碳酸盐岩储层人工裂缝扩展数值模拟考佳玮1,2，金衍1*，韦世明11 中国石油大学(北京)油气资源与工程全国重点实验室，北京 1022492 中石化石油工程技术研究院有限公司，北京 102206*通信作者,收稿日期:2020-10-20国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目(U19B6003-05-05)和中国石油大学(北京)青年拔尖人才项目（ZX20230042）联合资助摘要 缝洞型碳酸盐岩储层中分布有形态和尺寸各异的缝洞体，是主要储集体。由于缝洞体的不均匀分布，当前主要采用压裂改造的方式，通过人工裂缝沟通缝洞体，
2、建立缝洞体与井筒之间的流动通道。明确人工裂缝在缝洞体储层中的扩展规律，有利于提升缝洞体储层改造的效果。本文建立了基于非连续离散裂缝模型的缝洞型碳酸盐岩储层人工裂缝扩展数值模型。首先建立缝洞体储层流固耦合应力模型，然后采用离散裂缝模型构建人工裂缝，该模型允许人工裂缝沿着初始划分的网格进行扩展，并采用最小应变能密度准则判定扩展路径。根据缝洞分布规律的不同，本文建立了 3 种缝洞特征的缝洞体储层。通过对具有不同缝洞特征的缝洞体储层模拟研究结果发现：洞体扰动局部应力场，使人工裂缝扩展路径偏转，而洞体越大，扰动作用越明显；根据人工裂缝和洞体相对位置不同，可分为正面排斥作用和侧面吸引作用，而这 2 种作用
3、皆不利于人工裂缝与洞体沟通；但当洞周存在天然裂缝时，人工裂缝可以通过与洞周缝相交，提升沟通缝洞体的概率；增加人工裂缝内净压力，可提升人工裂缝与缝洞体相交时的主导作用，使其偏转程度降低，有利于突破洞体的排斥，与主应力方向缝洞体沟通；人工裂缝穿透缝洞体时的注液点压力主要受人工裂缝内流动能量损失和缝洞体漏失速率控制，优化压裂液性能可以降低穿透压，提升人工裂缝扩展范围。本文研究结果为缝洞型碳酸盐岩储层压裂改造评价提供参考。关键词 缝洞型碳酸盐岩；储层改造；人工裂缝扩展；数值模拟；非连续离散裂缝模型Numerical simulation of hydraulic fracture propagatio
4、n in fracture-cav-ity carbonate formationKAO Jiawei1,2,JIN Yan1,WEI Shiming11 National Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering,China University of Petroleum-Beijing,Beijing 102249,China2 SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering Co.,Ltd,Beijing 102206,ChinaAbstract There are
5、fracture-cavity systems with different shapes and sizes distributed in the fracture-cavity carbonate forma-tion in Tahe Oil Filed,China,while they are also the main oil and gas reservoirs.Due to the uneven distribution of fracture-cavity systems in the carbonate reservoirs,hydraulic fracturing is us
6、ed to communicate with the fracture-cavity systems to establish the flow channels between the fracture-cavity systems and the wellbore.So it is worth studying the propagation rule of hydraulic fracture in fracture-cavity carbonate formation,which determines the effect of reservoir reconstruction.In
7、this paper,based on the 引用格式：考佳玮,金衍,韦世明.缝洞型碳酸盐岩储层人工裂缝扩展数值模拟.石油科学通报,2023,03:303-317KAO Jiawei,JIN Yan,WEI Shiming.Numerical simulation of hydraulic fracture propagation in fracture-cavity carbonate formation.Petroleum Science Bulletin,2023,03:303-317.doi:10.3969/j.issn.2096-1693.2023.03.02220162023 中
8、国石油大学(北京)清华大学出版社有限公司 石油科学通报 2023 年 6 月 第 8 卷第 3 期0 引言塔河油田碳酸盐岩储层属于缝洞型油藏，其基质致密，孔隙连通性差，油藏的主体储藏空间主要为裂缝和孔洞1-2。受地质构造和溶蚀等作用，缝洞体在碳酸盐岩地层中分布复杂，储层非均质性强3，在尺度、形态和空间位置上具有多样性4-5，且受限于地质勘探手段，难以给出高精度描述6-7。目前通过酸化压裂的方式建立井筒和缝洞体之间的流动通道是缝洞型碳酸盐岩储层开发的主要方式8。由于缝洞储层的独特性，人工裂缝扩展形态与常规储层具有明显不同，因此明确缝洞体对人工裂缝扩展路径的影响对于缝洞型碳酸盐岩储层压裂设计和方案
9、优化具有重要意义。由于缝洞型油藏中流体主要分布在储集缝洞体中，缝洞体地层的流动规律与常规地层有明显不同。杨坚等9提出“缝洞单元”以描述缝洞型油藏在开发过程中的动态流动特征。韦世明等10采用离散缝洞模型预测缝洞地层在钻井时的泥浆漏失。Yuming Liu等11提出了一种用于描述塔河油田缝洞碳酸盐岩储层构造特征的 3D建模方法。张丰收等12提出了一种基于离散元的缝洞型碳酸盐岩流固耦合应力分析模型。王敬等13建立了注水干扰反演模型，分析缝洞体储层中不同影响因素对注水井间干扰的影响。对于人工裂缝在复杂地层中的扩展形态，学者们主要采用数值模拟的方式进行分析。赵金洲等14人采用内聚力单元法，通过全局嵌入黏
10、聚区域模型，模拟分析多裂缝竞争起裂和扩展问题，认为多井孔起裂在不同条件下会表现出 4 种起裂模式。Keshavarizi等15采用扩展有限元方法模拟人工裂缝在非常规储层中的扩展行为，认为在一定条件下人工裂缝接触天然裂缝前后都可发生偏转，应力场和天然裂缝的走向是影响干扰行为的主要因素。对于人工裂缝与洞体的相互作用问题，Cheng等16基于扩展有限元方法，分析了人工裂缝与单个洞体的相互作用规律，分析了洞体相对位置的影响，并给出人工裂缝和洞体的相互作用图版，Wang等17采用FEMM-FracFlow方法模拟三维空腔洞体对人工裂缝的扰动作用，发现围压和注液速率增加会降低裂缝的偏转，王毓杰18等采用单
11、元劈裂法计算了人工裂缝与缝洞体的相互作用，认为地应力差较大时有利于人工裂缝沟通洞体。为了更加直接得认识人工裂缝在缝洞体储层中的扩展形态，学者们通过室内物模实验进行了探索研究。周大伟19研究了人工裂缝和洞体的相互作用，并分析了地应力比和洞内压力对裂缝形态的影响。刘宝华等20分析了不同大小的洞体对人工裂缝扩展轨迹的扰动情况。翁振等21研究了偏心洞体对于裂缝扩展路径的扰动作用，并研究了排量的影响。王燚钊等22通过酸压物模实验，对比了裂缝型碳酸盐岩和缝洞型碳酸盐岩在起裂模式和裂缝扩展形态等方面的差异。当前对于人工裂缝在缝洞体中扩展的研究，仍局discontinuous discrete fractur
12、e model,we built a hydraulic fracture propagation model in the fracture-cavity carbonate formation.First,we built the fluid-solid coupled stress field model for the fracture-cavity reservoir and then used the discrete fracture model to construct the hydraulic fracture.The model allowed the hydraulic
13、 fracture to expand along the initially divided grid,and the minimum strain energy density criterion was used to determine the propagation path.According to the different fracture-cavity distribution rules,we set three fracture-cavity reservoir models with different characteristics in this paper.Bas
14、ed on the simulation result of different fracture-cavity formation characteristics,we found that:In fracture-cavity carbonate reservoirs,the hydraulic fracture would be deflected by the local stress field disturbed around the caves.The larger the cave was,the more pronounced the disturbance was.Acco
15、rding to the different relative positions,the disturbance could divide into two cases,frontal repulsion and lateral attraction,which were not conducive to the communication between the hydraulic fracture and the caves.However,when there were nature fractures around the caves,the communication probab
16、ility was raised as the hydraulic fracture could easily intersect these nature fractures around the cave.By increasing the hydraulic fractures net pressure,the leading role of the hydraulic fracture could enhance when it intersected with the fracture-cavity systems so that it was able to break through the repulsion of the cave to communicate with the fracture-cavity systems in the direction of the principal stress.When the hydraulic fracture penetrated the fracture-cavity systems,the injection p
